添加不同外源氮对长期秸秆还田土壤中氮素转化的影响

【目的】秸秆还田能够改变土壤中各活性氮库的含量与比例,进而影响土壤氮素供应能力。本文研究了长期秸秆还田条件下添加不同外源氮对土壤中不同形态氮素的影响,旨在明确长期秸秆还田土壤活性氮库的含量差异。【方法】长期定位施肥试验点位于湖南省望城县(112°80′N、28°37′E,海拔高度100 m)。试验开始于1981年,供试土壤为第四纪红色黏土发育的水稻土,轮作制度为稻—稻—冬闲。2014年晚稻收获后,采集单施化肥和长期秸秆还田配施化肥两个处理的耕层土壤样品,开展室内培养试验。每个土壤样品设置灭菌和不灭菌两组主处理,在主处理下设:对照(CK)、添加尿素(N 150 kg/hm^2,U)、添加秸秆(N 150 kg/hm^2,S)和添加尿素和秸秆(N 300 kg/hm^2,U+S)四个副处理,4次重复。在25℃下恒温培养5、10、20、30、50、90、130天时,分析土壤铵态氮、硝态氮、微生物氮和可溶性有机氮含量。【结果】1) U、S和U+S处理均显著提高土壤铵态氮和硝态氮含量,高低顺序为U> U+S> S> CK。非灭菌条件下,U处理的土壤铵态氮含量较其他处理高出90.8%~288%。2)灭菌后土壤铵态氮长期维持在较高水平,其向硝态氮转化过程受阻。在培养90天内,土壤硝态氮、微生物氮和可溶性有机氮含量均处于较低水平。3)而不灭菌条件下,各处理土壤硝态氮均在培养50天后迅速增加,至培养结束土壤硝态氮达最大值(117.43~243.17 mg/kg)。4)土壤微生物氮和可溶性有机氮分别于培养20天(106.72~244.01 mg/kg)和30天(95.76~140.63 mg/kg)时达到最大值。5)至培养结束,灭菌条件下长期NPKS土壤中U+S处理可溶性有机氮显著高于其他处理,较U和S处理分别提高51.55%和29.96%。【结论】添加不同外源氮有利于提高长期秸秆还田土壤中活性有机氮的含量,尤其是添加秸秆和尿素处理,能够显著提高土壤氮素的供应能力。     

有机物料输入稻田提高土壤微生物碳氮及可溶性有机碳氮

土壤微生物量碳、氮和可溶性有机碳、氮是土壤碳、氮库中最活跃的组分,是反应土壤被干扰程度的重要灵敏性指标,通过设置相同有机碳施用量下不同有机物料处理的田间试验,研究了有机物料添加下土壤微生物量碳（soil microbial biomass carbon,MBC）、氮（soil microbial biomass nitrogen,MBN）和可溶性有机碳（dissolved organic carbon,DOC）、氮（dissolved organic nitrogen,DON）的变化特征及相互关系。结果表明化肥和生物碳、玉米秸秆、鲜牛粪或松针配施下土壤微生物量碳、氮和可溶性有机碳、氮显著大于不施肥处理（no fertilization,CK）和单施化肥处理,分别比不施肥处理和单施化肥平均高23.52%和12.66%（MBC）、42.68%和24.02%（MBN）、14.70%和9.99%（DOC）、22.32%和21.79%（DON）。化肥和有机物料配施处理中,化肥+鲜牛粪处理的微生物量碳、氮和可溶性有机碳、氮最高,比CK高26.20%（MBC）、49.54%（MBN）、19.29%（DOC）和32.81%（DON）,其次是化肥+生物碳或化肥+玉米秸秆处理,而化肥+松针处理最低。土壤可溶性有机碳质量分数（308.87 mg/kg）小于微生物量碳（474.71 mg/kg）,而可溶性有机氮质量分数（53.07 mg/kg）要大于微生物量氮（34.79 mg/kg）。与不施肥处理相比,化肥和有机物料配施显著降低MBC/MBN和DOC/DON,降低率分别为24.57%和7.71%。MBC和DOC、MBN和DON随着土壤有机碳（soil organic carbon,SOC）、全氮（total nitrogen,TN）的增加呈显著线性增加。MBC、MBN、DOC、DON、DOC+MBC和DON+MBN之间呈极显著正相关（P<0.01）。从相关程度看,DOC+MBC和DON+MBN较MBC、DOC、MBN、DON更能反映土壤中活性有机碳和氮库的变化,成为评价土壤肥力及质量的更有效指标。结果可为提高洱海流域农田土壤肥力,增强土壤固氮效果,减少土壤中氮素流失,保护洱海水质安全提供科学依据。     

冻融作用对农田土壤可溶性氮组分的影响

为了解非生长季农田土壤氮素转化过程,采用室内冻融模拟培养试验研究了不同冻融温度和冻融循环次数对东北4种典型农田土壤(棕壤、褐土、草甸土、黑土)可溶性氮组分含量的影响。结果表明:随着冻结温度降低,4种农田土壤可溶性无机氮(DIN,NO_3~–-N+NH_4~+-N)、可溶性有机氮(DON)和可溶性全氮(DTN)含量均显著增加。随着融化温度升高,除NH_4~+-N含量显著升高外,4种农田土壤NO_3~–-N、DON和DTN含量的变化行为受冻结温度和土壤类型的协同影响。随着冻融循环次数增加,棕壤和褐土NO_3~–-N、NH_4~+-N、DON和DTN含量均显著增加;草甸土NO_3~–-N、DON和DTN含量均显著增加,而NH_4~+-N含量显著降低;黑土NO_3~–-N和NH_4~+-N含量均显著降低,而DON和DTN含量则先升高后降低。不同类型土壤受冻融作用影响的响应能力不同,其大小顺序为褐土棕壤、草甸土黑土。可见,冻融作用促进了土壤氮素转化,有利于土壤有效氮的累积,为春季作物生长提供足够的氮素,但同时也增加了土壤氮素流失风险。     

黄土区几种土壤培养过程中可溶性有机氮的变化及其与土壤矿化氮的关系

研究了黄土高原12种土壤(农地和林地)35 d好气培养过程中可溶性有机氮(SON)含量及其占可溶性全氮(TSN)的比例,以及SON与土壤矿化氮间的关系。结果表明,随着培养过程的进行,不同类型土壤SON的含量均呈明显增加;土壤SON占TSN的比例在培养的前3 d内明显下降,随后这一比例基本保持在24%左右。根据总可溶性氮确定的供试土壤氮素矿化势No平均为45.8 mg/kg,较由矿化的无机氮确定的土壤氮素矿化势No(平均36.5 mg/kg)高约1/4左右;培养过程中土壤SON含量与利用无机氮拟合得到的土壤氮素矿化势No间的相关性未达显著水平。研究表明,评价土壤氮素矿化特性时仅仅测定矿化的无机氮数量,可能会低估土壤氮素矿化潜力和氮素损失的数量和效应。     

黄河三角洲盐碱地人工林土壤可溶性有机氮含量及特性

对黄河三角洲盐碱地10 a生刺槐林、白蜡林和杨树林土壤可溶性有机氮（SON）进行了研究。结果表明：3种人工林中,刺槐林20-40 cm层土壤SON含量最高,为26.99 mg/kg,与其他林分差异显著;而白蜡林0-20 cm层土壤SON含量显著高于其他林分,为16.71 mg/kg。3种林分0-20 cm土壤SON含量占TSN的百分含量分别为50.99%,47.06%和59.99%,差异显著（P〈0.05）;20-40 cm土壤SON占TSN百分含量范围为55.9%～59.01%。相关分析结果表明,土壤SON与土壤TSN、无机氮、全氮呈极显著相关性（P〈0.01）,与土壤有机质呈显著相关（P〈0.05）,与土壤全盐量呈负相关。     

土壤可溶性有机氮测定方法研究进展

可溶性有机氮(DON)是土壤中生物可利用有机氮库的主要成分,是最为活跃的有机氮形态之一。DON在土壤中的迁移和转化是土壤氮素地球生物化学循环的重要一环,与氮素养分供应、损失等过程密切相关。然而缺失准确、可靠的土壤DON分析方法严重限制了DON的相关研究进程。本文综述了近年来国内外土壤浸提液和水体中DON测定方法,重点比较了不同可溶性总氮(DTN)测定方法以及不同前处理方法对提高DON测定结果准确性的影响。     

黄河三角洲土地利用对土壤氮素及其转化的影响

以黄河三角洲垦利县轻度盐渍化土壤为研究对象,选取菜地、果园、粮田和新淤未利用地共4种土地利用类型,通过实地采样分析,探讨了土地利用对土壤氮素及其转化的影响。结果表明,全氮含量在0—20 cm土壤中以粮田最高,平均含量为1.42 g/kg,其次是果园、菜地和新淤未利用地土壤,其平均含量分别为1.17,0.97和0.57 g/kg,而20—40 cm土壤中,菜地全氮平均含量为0.86 g/kg,明显高于其它3种用地土壤;硝态氮在菜地0—20 cm土壤中的平均含量为27.25 mg/kg,远高于果园、粮田和新淤未利用地土壤,铵态氮在4种用地类型土壤中含量范围为2.65~4.09 mg/kg,不同用地类型间差异不大,二者在20—40cm土壤中的变化规律与0—20 cm基本相同;通过铵态氮、硝态氮与全氮的相关分析,表明菜地土壤中有效氮含量主要与外源氮素的补充有关,果园和粮田土壤中的有效氮与土壤全氮关系密切而受环境变化情况较小,新淤未利用地土壤氮素反映了研究区土壤氮素及其转化的初始状况。     

施用秸秆对土壤可溶性有机碳氮及矿质氮的影响

为了研究施用秸秆对土壤可溶性有机碳氮及矿质态氮含量的影响,设置CK（对照）,M₂,M₄,M₆共4个处理,处理中每100 g干土中加入秸秆量分别为0,2,4,6 g。在室温为25℃、土壤含水量为田间持水量的70%的条件下进行培养试验,分别在15,30,45,60,105,150 d时,采取各处理中的土壤样品,观测土壤可溶性有机碳氮及矿质氮的动态变化。结果表明:4个处理的土壤可溶性有机碳、氮具有相同的变化趋势,表现为随着培养时间的推移,先增加,再减小,然后经过一段时间的波动后趋于平稳。在培养的整个过程中,M₄与M₆处理的土壤可溶性有机碳、氮明显高于CK中的含量,表明了施用秸秆可以促进土壤可溶性有机碳氮的累积。在相同时间段内,各处理之间铵态氮含量无明显差异,与对照相比,加入秸秆后,土壤中硝态氮的含量明显下降。     

土壤中可溶性有机氮含量及其影响因素研究

研究了农田和日光温室2个生态系统土壤中可溶性有机氮(SON)的含量及施肥和栽培模式对其含量的影响。结果表明,农田和日光温室土壤中SON的含量平均分别为39.19 mg kg-1和320.16 mg kg-1,分别占可溶性总氮(TSN)的80%和73%,说明SON是土壤氮素中不可忽视的氮素组分。不同栽培模式对土壤中SON的含量及其占TSN的比例的影响因生育时期的不同而异。覆草显著增加了小麦拔节期0~5 cm土层土壤中SON的含量,覆膜各土层SON含量均较常规模式有所提高;开花期覆草和覆膜模式土壤中TSN和SON含量较拔节期的显著下降。施用无机氮肥对土壤中SON的含量无显著影响。     

农田利用方式对土壤可溶性氮素含量及迁移的影响

分析农田利用方式对表层土壤可溶性氮素各组分的影响,揭示农田生态系统中可溶性氮素的迁移规律。测定5种利用类型下14种农田0~10 cm、10~20 cm层土壤可溶性无机氮(SIN)、可溶性有机氮(SON)含量,分析农田利用方式对可溶性氮素的影响;测定葱、红花继木、西瓜、油菜等4种农田0~10 cm、10~20 cm、20~30 cm、30~40 cm、40~50 cm、50~60 cm层土壤SIN、SON含量,探讨可溶性氮素在土壤剖面中的迁移规律。结果表明,0~10 cm层14种农田土壤SIN和SON含量分别为2.16~152.06 mg kg~(-1)、10.80~173.77 mg kg~(-1),SON占TSN的39.90%~83.95%,平均为64.65%;10~20 cm SIN和SON含量分别为1.51~75.58 mg kg~(-1)、6.08~65.01 mg kg~(-1),SON/TSN为43.01%~78.79%,平均为65.76%。可溶性氮素各组分的关系为SON>NH4+-N>NO3--N;农田利用方式对可溶性氮素的影响达到显著水平。葱地、红花继木地、西瓜地、油菜地等4种农田土壤SIN和SON平均含量表现为随土层加深而减小,但有在下层(40~60 cm)累积的趋势。0~60 cm各层土壤SON/TSN为26.35%~72.35%,平均约为58.51%;农田利用方式对可溶性氮素在土壤中的迁移有影响。因此,农田利用方式对表层土壤SIN、SON含量有显著影响,并对其在土壤剖面中的迁移有影响;土壤SIN、SON含量随土层加深而减少,但有在下层累积的趋势;SON是可溶性氮素的主要组分,其对环境的影响值得关注。     

黄土区几种土壤培养过程中可溶性有机碳、氮含量及特性的变化

对不同地域农田和林地土壤进行35 d好气培养研究,结果表明:不同土壤培养过程中可溶性有机碳(SOC)含量呈明显下降,而可溶性有机氮(SON)含量却呈明显增加趋势。不同农田土壤相比,在培养起始时和培养过程中红油土SOC和SON的平均含量均高于黑垆土和淋溶褐土;同为黑垆土,林地土壤SOC和SON含量均明显高于相应农田土壤。与起始值相比,土壤培养后提取的可溶性有机物的UV280和HIXem(Hu-mification index)值均明显增加,其中HIXem值在培养的第8天和第35天时呈显著增加趋势。随着培养过程的持续,SOC/SON比值逐渐下降。相关分析发现,培养第35天时SOC的减少幅度与UV 280增加比例呈显著正相关;培养第8天时SOC的减少比例与起始HIXem值呈显著负相关。说明UV280和HIXem值可以在一定程度上反映可溶性有机物种类和结构特性的变化。     

温度对土壤吸附有机肥中可溶性有机碳、氮的影响

可溶性有机碳、氮(Soluble organic carbon or nitrogen,SOC和SON)可被土壤吸附.土壤可溶性有机碳、氮组分复杂,土壤对可溶性有机物吸附的不均一性会导致可溶性有机物组分的变化,大部分疏水性化合物被吸附,而亲水性化合物被释放进入溶液中[1].因此,可溶性有机碳、氮在土壤中的吸附,直接影响其在土壤-水系统中的迁移和行为[2-3].林地土壤中含有相当数量的可溶性有机养分,因此,关于林地土壤对可溶性有机养分的吸附特性,国外研究者已开展了不少研究.研究表明,可溶性有机碳吸附特性与土壤性质如pH、表面积、有机碳、铁铝氧化物和黏粒含量等因素有关[4-5].关于农业土壤对可溶性有机碳的吸附特性的影响,国内也开展了一些研究,主要集中在pH、铁铝氧化物含量等对吸附影响方面[6-9].     

肥力梯度红壤上不同形态氮库对玉米吸氮量的贡献

不同形态的土壤氮素是作物吸收氮素的主要来源,而土壤肥力不仅影响氮素的含量,也影响氮素的有效性,进而影响作物对氮素的吸收利用。明确不同肥力红壤中各形态氮素的变化及其对作物吸氮量的贡献,可为阐明氮素循环机制和沃土培肥提供理论依据。2019年5月在湖南祁阳红壤实验站选取低肥力、中肥力和高肥力红壤进行田间微区试验,设置不施氮（N0）和常规施氮（N1）两个处理。分析了2020年玉米（该试验的第三季作物）种植前和收获后土壤矿质氮（MN）、固定态铵（FN）、微生物生物量氮（MBN）和可溶性有机氮（SON）含量的变化及其与玉米地上部吸氮量的关系,并通过结构方程模型（SEM）建立了各形态氮库与吸氮量的关系模型。结果发现,N0条件下高肥力土壤的籽粒产量约为中肥力土壤的4.6倍,但在N1条件下,高肥力土壤的玉米产量和生物量与中肥力土壤无显著差异,但其吸氮量显著高于中肥力土壤。与种植前相比,N0条件下,收获后中肥力土壤FN含量显著提高了63%,低肥力和高肥力土壤分别增加了47%和11%。与其相反,土壤MN、MBN和SON含量均有所降低。土壤MN含量降低了0.4~4 mg?kg-1;MBN降低了18%~44%且土壤肥力间无显著差异;SON减少了55%~84%。N1条件下,土壤MN含量降低了约22~38 mg?kg-1; MBN降低了32%~72%;而SON的减少量在高肥力土壤中可达99 mg?kg-1,分别为中肥力土壤和低肥力土壤的2.0倍和9.3倍。相关分析结果表明,地上部吸氮量与MBN、SON和NH4+-N减少量存在显著正相关关系。结构方程模型结果进一步表明,SON和NH4+-N直接影响吸氮量,MBN通过影响SON和MN间接影响玉米地上部吸氮量。总体而言,SON和MBN可直接或间接影响玉米对氮素的吸收利用,是土壤中重要的氮素存在形态,应进一步加强对其形态转化的机制研究,可促进红壤培肥和氮素高效利用。     

Variations of soluble organic nitrogen and microbial nitrogen in deciduous forest soils along an urban-rural gradient

Soluble organic N and microbial N pools in terrestrial ecosystems have been less studied than those of inorganic N. Therefore, cross-system variation in their pool sizes and seasonal dynamics, both absolute and relative to inorganic N pools, needs to be quantified so that their ecological importance in different ecosystems can be evaluated. We measured extractable soil organic N (ESON), microbial biomass N (MBN), and the net production rates of ESON in red oak-dominated remnant forests, along an urban-rural gradient in the New York City metropolitan area. We were interested in (1) determining the seasonal dynamics of ESON and MBN, and (2) examining whether the contrasts in land use (urban, suburban, rural) surrounding these forest remnants were associated with different amounts of ESON and MBN. This field-based study was conducted continuously for 16 months. Yearly average ESON concentrations ranged from 60 to 140 mg kg⁻¹ soil organic matter (SOM), 3-4 times those of inorganic N, and average MBN ranged from 600 to 1100 mg kg⁻¹ SOM. There was a considerable MBN increase in spring in all plots across the gradient. The average increase expressed on an areal basis (to a depth of 7.5 cm) ranged from 1.75 to 4.19 g N m⁻². The N incorporated into the microbial biomass in spring was gradually released later in the growing season (the mean MBN decrease ranged from 1.11 to 3.82 g N m⁻²). The spring MBN increase could be an important retention mechanism for conserving soil inorganic N when plant N uptake may be low. The amplitude in the seasonal dynamics of ESON was far less than that of inorganic N, as was that of net ESON production rates when compared to net N mineralization. These suggest a closer coupling of plant N uptake with inorganic N, much more than with ESON. Both ESON and MBN were significantly higher in rural soils than in urban soils, and both concentrations were positively correlated with SOM content. The variation in ESON, MBN, or SOM associated with this urbanization gradient suggests that the form of N exported, the plant N budget and soil N retention mechanisms may be differentially affected by urban, suburban and rural land uses.     

黄土区不同类型土壤微生物量碳、氮和可溶性有机碳、氮的含量及其关系

研究了黄土高原南部地区不同土壤类型及不同利用方式下土壤微生物摄碳、氮和可溶性有机碳、氮的含量。结果表明：不同土地利用方式下,土壤微生物量碳、氮和可溶性有机碳、氮含量均为林地〉农田,其中林地枯枝落叶层〉林地O～20cm土层。农田土壤微生物量碳、氮的含量均为红油土〉黑垆土〉淋溶褐土;农田土壤中可溶性有机碳含量为淋溶褐土〉红油土〉黑垆土,而可溶性有机氮含量则为黑垆土〉红油土〉淋溶褐土。方差分析表明,不同土壤类型土壤微生物量氮含量之间的差异达显著水平,而不同土壤类型间土壤微生物量碳、可溶性有机碳、氯含量之间的差异未达显著水平。土壤微生物量碳、氮占土壤有机碳和全氮的比例明显高于可溶性有机碳、氮占土壤有机碳和全氮的比例。相关分析发现,土壤微生物量碳与可溶性有机碳之间以及土壤微生物量氮与可溶性有机氮之间的相关性达显著或极显著水平,说明土壤微生物量碳、氮和土壤可溶性有机碳、氮之间有密切联系。     

Dynamics of dissolved and extractable organic nitrogen upon soil amendment with crop residues

Dissolved organic nitrogen (DON) is increasingly recognized as a pivotal pool in the soil nitrogen (N) cycle. Numerous devices and sampling procedures have been used to estimate its size, varying from in situ collection of soil solution to extraction of dried soil with salt solutions. Extractable organic N (EON) not only consists of DON but contains also compounds released from soil biomass and desorbed organic matter. There is no consensus whether DON or EON primarily regulates N mineralisation in soil, and their contribution to N mineralisation has not been quantified simultaneously. We evaluated three sampling procedures on their ability to determine the dynamic of dissolved organic N pools. The three procedures were the determination of DON in 1) soil solution collected by centrifugation, and the determination of EON in 2) a 0.01 M CaCl₂ extract of field moist or 3) dried soil. We added unlabeled leek and ¹⁵N-labeled ryegrass residues to a loamy sandy soil to create a temporarily increase in DON and EON, to stimulate microbial activity, and to test whether the source and dynamics of the three pools differ. We also tested whether the flow of N through DON or EON was associated with the production of inorganic N using ¹⁵N isotope tracing. Sampling procedures significantly affected the amount, but not the dynamics and origin of the three organic N pools. DON and EON (determined on field-moist and dried soils) showed all a significant increase upon crop amendment and returned to their background concentrations within 10 to 30 days. The fraction of DON and EON originating from the crop residue slightly decreased over 138 days and was not different for DON and EON. Field moist extraction of a loamy sandy soil with 0.01 M CaCl₂ gave a reliable estimate of the concentration of in situ dissolved organic N. In contrast, extraction of dried soil significantly increased EON compared to DON. The agreement in dynamics, ¹⁵N enrichment and C-to-N ratio’s indicate that dissolved and extracted organic N have a similar role in N mineralisation. Our results also suggest that they make a minor contribution to N mineralisation; changes in the turnover rate of EON were not associated with changes in the net N mineralisation rate.